使熱氣隱形的藝術

• 本文與新興科技媒體中心合作，內文經泛科學改寫。
• 完整文章請見：「讓小鼠禁食有促進代謝與防護老化的效果」專家意見
• 資料更新至 2021 年 10 月 19 日

2021 年 10 月 18 日，國際期刊《自然醫學》（Nature Medicine）公開的一篇研究論文，探討飲食模式和改善生理健康之間的關係。研究將小鼠總共分為五組：（1）自由取食、（2）限制 30% 的熱量攝取，但沒有禁食期、（3）限制 30% 的熱量攝取，半天內給食三次，另外半天禁食、（4）限制 30% 的熱量攝取，每天只給食一次，其他 21 小時禁食、（5）熱量攝取總量不變，但每天禁食 21 小時。

研究運用液相層析質譜儀（Liquid chromatography–mass spectrometry），以及轉錄組分析（Transcriptional profiling）等方法，發現僅「禁食」而沒有減少攝取的總熱量，就足以得到在限制熱量的飲食模式時出現的大部分代謝與核酸轉錄的特徵，以及延長壽命、防止衰弱等健康上的好處。

該研究歸納出以下三大結論：

1. 過往研究限制熱量攝取的好處時，無法分辨原因是「總卡路里攝取下降」還是「有規律的長時間禁食」。這篇研究協助釐清熱量限制帶來好處的原因，發現單純禁食而並不減少總熱量攝入，就足以達到有助代謝和延緩老化這些健康效果。
2. 研究是在特定的條件下所觀察到的現象，不同性別及不同品系的小鼠，禁食的效果就不同，無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。
3. 禁食很可能是限制卡路里攝取時，可改善健康和長壽所必需的關鍵。如果可以證明適用於人類，未來可能幫助人們在不需要減少卡路里攝取總量的情況下，也能延緩老化、促進健康。

大爆吃再間歇性禁食更健康？仍有待證實

臺大醫學院腦與心智科學研究所教授王培育指出，適當的飲食限制對於促進代謝、預防疾病及延長壽命的益處已是廣為人知。然而在早期用酵母菌、線蟲及果蠅作為實驗對象的研究中，受限於實驗模式，大多是以稀釋食物中的營養成份且自由飲食的方式來觀察飲食限制的好處 ^[1][2][3]。

而在哺乳類中，小鼠或猴子實驗則是以每日一到二次或數日一次的方式，餵食正常食量的 40-80% ^[4][5]，因此，一直以來飲食限制所帶來的好處被認為是降低日常飲食中卡路里的總量所導致。但是這些傳統的觀點在近年來的研究中已是備受挑戰，例如每日限制時間或食物量的餵食或禁食（於幾個小時內自由飲食或吃完定量的食物），也可明顯的達成健康長壽的好處 ^[6]。

所以，重要的究竟是卡路里減量，還是禁食？本篇研究利用特定品系的小鼠，以系統性的方法實驗數種飲食的模式並且分析多種代謝及生理指標。結果顯示適當的禁食，可能是影響健康指標的關鍵，然而這是否意味著大吃大喝但間歇性的禁食是比少量及少餐更好的選擇呢？有待日後有更多的研究證據來說明。

規律禁食／進食，比總熱量攝取更重要

王培育也指出，這份研究僅使用了兩種品系的公、母小鼠進行研究，便可觀察到飲食限制對於不同性別及兩種品系小鼠的生理反應造成許多的差異，顯示本研究是在特定的條件下所觀察到的現象，無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。

這份研究提供一個重要的概念，適當的禁食可以達成傳統的飲食限制（禁食加上卡路里減量）對身體健康的好處，因此營養均衡、不必在卡路里上斤斤計較，一樣可能擁有健康長壽。

王培育指出，這份研究詳盡的比較了長期限制總熱量攝取與間歇性禁食，對代謝、老化以及壽命的影響，結果也顯示了有規律的間歇性禁食也許就足以帶給我們健康上的各種好處。這告訴我們，吃什麼、吃多少固然重要，何時吃以及飲食是否規律也許更重要。這結果與上月一篇發表在期刊《自然》（Nature）上的果蠅間歇性禁食實驗結果不謀而合 ^[7]。

「禁食」才是有助代謝的關鍵

國立中興大學食品暨應用生物科技學系特聘教授蔣恩沛指出，過去許多研究都發現「限時進餐」或「限制進餐量」具有代謝益處，並延長小鼠的壽命。然而這些發現並無法釐清，哪些是純粹因為減少熱量攝入引起的好處，而哪些是因實驗要控制卡路里而無形中施加了禁食所致。

本研究在小鼠實驗中發現，限制卡路里的飲食方式，促成葡萄糖代謝、虛弱和壽命的各項改善，其實需透過「禁食」來達成。研究推翻了長期以來認為卡路里限制飲食對哺乳動物有益僅是由於減少總熱量攝取的觀點，並強調當中的「禁食行為」才是有助代謝（例如提升胰島素敏感性）和延緩老化這些保護作用的重要原因。

研究結果揭示了我們何時以及吃多少食物，如何調節代謝健康和壽命，並證明每天延長禁食，而不僅僅是減少熱量攝入，可能是熱量限制飲食對改進代謝和延緩老化的原因。過去已有研究表明，延長兩餐間隔對健康有益，本研究結果與過去研究也有相當的一致性。

蔣恩沛表示，人類老化過程中所伴隨的退化過程和疾病，有許多變因，除了攝食量、飲食方式、種類，還有基因、環境因素，甚至腸道菌相，均可能扮演角色，遠比實驗動物複雜。然而可以確定的是，限制熱量攝取可提供代謝上的益處，並可能減緩衰老、延長壽命。

本文編譯自科學期刊文章，完整文章來源：

• Heidi H. Pak, et al. (2021) “Fasting drives the metabolic, molecular and geroprotective effects of a calorie-restricted diet in mice.” Nature Medicine. https://doi.org/10.1038/s42255-021-00466-9

參考資料：

• [1] Longo, Valter D., Shadel, Gerald S., Kaeberlein, M. & Kennedy, B. (2012) “Replicative and Chronological Aging in Saccharomyces cerevisiae.” Cell Metabolism 16, 18-31, doi:https://doi.org/10.1016/j.cmet.2012.06.002.
• [2] Panowski, S. H., Wolff, S., Aguilaniu, H., Durieux, J. & Dillin, A. (2007) “PHA-4/Foxa mediates diet-restriction-induced longevity of C. elegans.” Nature 447, 550-555, doi:10.1038/nature05837.
• [3] Mair, W., Goymer, P., Pletcher Scott, D. & Partridge, L. (2003) “Demography of Dietary Restriction and Death in Drosophila.” Science 301, 1731-1733, doi:10.1126/science.1086016.
• [4] Mattison, J. A. et al. (2017) “Caloric restriction improves health and survival of rhesus monkeys.” Nature Communications 8, 14063, doi:10.1038/ncomms14063.
• [5] Weindruch, R., Walford, R. L., Fligiel, S. & Guthrie, D. (1986) “The Retardation of Aging in Mice by Dietary Restriction: Longevity, Cancer, Immunity and Lifetime Energy Intake.” The Journal of Nutrition 116, 641-654, doi:10.1093/jn/116.4.641.
• [6] Regmi, P. & Heilbronn, L. K. (2020) “Time-Restricted Eating: Benefits, Mechanisms, and Challenges in Translation.” iScience 23, 101161, doi:https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101161.
• [7] Ulgherait, M., Midoun, A.M., Park, S.J. et al. (2021) “Circadian autophagy drives iTRF-mediated longevity.” Nature 598, 353–358, doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03934-0.

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《氣泡水蘊藏著超穎材料！隱形斗篷真的能成真？——專訪國立中央大學光電系欒丕綱教授》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜李奕萱

超穎材料（Metamaterial，或稱超材料）泛稱一種具有特殊性質的人造材料，以人工排列的方式，調整材料的幾何形狀、晶格結構、尺寸和方向，展現出原本材料不具有的電磁特性：能阻擋、吸收、增強或彎曲光波、電磁波，來獲得超越傳統材料的優勢。不只如此，利用超穎材料的漸變折射率特性甚至可以有「隱形」、「透明」的效果，除了對訊號傳遞有巨大的影響，還說不定能實現哈利波特的隱形斗篷！

但你知道嗎？其實從氣泡水這種常見的物質中，我們就能觀察到聲波版超穎材料特性了！這次我們邀請到國立中央大學光電系欒丕綱副教授跟我們聊聊超穎材料與水中氣泡的神奇結構。準備好了嗎？物理課上課囉！

從數學物理到超穎材料

雖然欒丕綱教授現在的研究專長為光子晶體、聲子晶體，以及超穎材料，但其實教授最早是做數學物理方面的研究喔！教授博士研究時期，因為菲爾茲獎初次頒發給三位研究楊-巴克斯特方程相關問題的物理學家，使得這個領域正炙手可熱，欒丕綱教授便跟隨他的指導教授，顏晃徹教授，一起投入楊-巴克斯特方程的相關研究。畢業後，欒丕綱教授成為宏碁電腦的 EMI 工程師，負責控制3C產品的電磁輻射值，但教授認為自己還是適合學術研究，便回到學術圈，成為葉真教授的博士後研究員。

當時葉真教授主要研究領域是水中氣泡對聲波的散射，探討波的傳播行為在複雜散射下的變化，欒丕綱教授發現聲波的方程式和電磁波、光波其實很類似，才正式切入到光子晶體的研究。並且很幸運地，剛好遇到了一個新研究領域的誕生——負折射現象。人們發現負折射現象可以藉由特殊設計的負折射率超材料（Negative-index metamaterial，NIM，又稱左手材料 left-handed media）而實現，由此開啟了超穎材料的大量研究。

楊-巴克斯特方程（Yang–Baxter equation），以楊振寧和羅德尼·巴克斯特命名：在羅德尼·巴克斯特的統計力學模型研究以及楊振寧的量子力學一維硬球多體碰撞問題研究中，楊-巴克斯特方程都是問題可解的自
洽條件 (consistency condition)。如果楊-巴克斯特方程可以解，則我們就能從統計模型中解出自由能與臨界指數，或是從這個多粒子一維碰撞模型中得到能譜、波函數……等資訊。

當R矩陣滿足楊-巴克斯特方程，多粒子一維模型就能解。圖／Wikipedia

看我把光通通抓住！——光子晶體

光子晶體（Photonic crystal），是將折射率大的介質與折射率小的介質交錯重複排列製成的週期性光學結構。將各種頻率的光波、電磁波打進這類週期性排列的介質就能觀察到光子能隙（photonic energy gap）的表現。

當電磁波在折射率不一的介質中傳播時，不只會改變波行進的速度，還會出現內部反射與原波做疊加的現象，形成建設性干涉或破壞性干涉。只有經過精密的計算，才能得出特定頻率入射特定結構能不能剛好全部都出現破壞性干涉，成功將電磁波「堵死」，把光抓住。

這種高維規則光學結構直到大約 30 年前才被提出來，1987 年，埃利·雅布羅諾維奇（Eli Yablonovitch）和薩耶夫·約翰（Sajeev John）分別發表研究：雅布羅諾維奇的出發點是想要製造一種材料來把光鎖在共振腔裡，就能跟原子不斷產生交互作用，以便應用在雷射技術上；約翰則是想先藉由週期介質產生能隙，再微微弄亂此結構，來實現光波的安德森局域化（Anderson Localization）。至此，科學界才跳脫以往一維多層膜結構的思維模式往高維度發展。

如果說超穎材料是特定頻率範圍的光子晶體，那麼這兩者差別在於：光子晶體強調的是介電質週期性反差，超穎材料則是指具有局部共振特性的週期結構，通常含有金屬。

三件超材的聖物：負折射、左手材料、隱形斗篷

超穎材料最特別的就是他可以具有負的電磁介質參數特性。在天然的離子晶體中，當電磁波入射介質後若激發聲子（phonon，晶格中原子的震動模式）並且跟他偶合的話，就會出現電磁極化子（polariton）的現象，形成一種能開出光子頻隙的新波。超穎材料利用人工設計的局部共振結構與入射的電磁波作用，去模仿上述的機制。這時，介電常數εr或磁導率μr就會變成負的：如果其中之一是負的，我們稱為單負材料，會產生能擋住波的頻隙；如果兩者都是是負的，則是雙負材料，頻隙消失、電磁波通過，但會出現能量傳遞的方向跟相位傳遞方向相反的負折射現象。

既然負的介質參數是可以實現的，那麼設計隨位置漸變的介質參數也就不成問題。講到此就不能不提因提出「完美透鏡」（perfect lens） 與可行的隱形斗篷理論而聞名的科學家——約翰·彭德里爵士（Sir John Pendry）。2000 年，彭德里爵士在理論上發現用折射率接近 -1 的左手材料平板可做成透鏡聚焦點狀光源發出的光。不僅如此，通過平板聚焦的光源可以小到甚至比波長還要小，在科學界造成非常大的轟動！

從波動光學的概念來看，光波都有波長，理論上再怎麼聚焦都無法聚焦成比波長還小的點，但彭德里爵士的平板透鏡卻做到了。其實是因為在一般光學現象，光源附近那些沒有幅射出去的電磁場是看不到的，只有在靠近這個負折射特殊平板透鏡時，會剛好誘發表面電漿共振（Surface plasmon resonance）可以把消逝波（evanescent wave）放大之後幫助成像，就有機會出現成像的寬度比波長還小的現象，也就是所謂的次波長成像 （subwavelength imaging）。

那麼將要隱形的物體周圍用可吸收電磁波的材料包起來就看不到了嗎？事情可沒那麼簡單！根據幾何光學，人類視覺感知物體依靠的是光直線傳播的特性，大腦會沿著傳入眼睛的光線反向直線延伸來建構畫面。當光打到隱形斗篷時，光除了要繞過這個物體外，光進來的方向跟出去的方向還要相同才能騙過眼睛，成功「隱形」。如果可以準確調控超穎材料各個方向的介電常數或磁導率，就能決定光的傳播行為，製作出隱形斗篷了！

水中氣泡的負特性

除了電磁波版本的超穎材料之外，也有聲波版本的超穎材料。利用週期排列的聲波共振結構，可以設計出具有等效的負質量密度或負彈性模量的聲波超穎材料。也可以結合此兩者做出聲波版本的負折射介質。最初欒丕綱教授觀察到氣泡水不但共振非常明顯，且不依賴週期性結構，只要有大量散射體（氣泡）就可以有效阻擋聲波的特質無疑與超穎材料有一定的相似性，但卻一直找不到方法證明氣泡水的負特性，像是負彈性模量（negative elastic modulus）、負質量（negative mass）……等等。

什麼是負質量？

香港科技大學曾經在2000年製作了一個模型，將一顆硬球外面包矽膠後放到背景介質裡。將硬球想像成振子、矽膠想像成彈簧，背景介質想成裝著以上振子的盒子。當外部施力來回運動時，如果頻率低，外部盒子與硬球的移動會一致；頻率高時，兩者很可能是反向運動。科學家觀察到在某一個頻段，加速度和施力方向相反，剛好可使盒子系統的等效質量為負，形成負質量密度超穎材料。

後來欒丕綱教授從負彈性模量聲學超材料和海洋聲學得到靈感：考慮一顆氣泡被聲波打到並散射時，表現出的行為比起單一氣泡特性，更像是氣泡外面圍著一層水，再將徑向振子（radial oscillation）放到這層水裡散射聲波。如果將每一個氣泡想像成一個個徑向振子再做成週期排列，就能使彈性係數變成負的，擠壓它會膨脹，拉扯它就會收縮，證明氣泡水真的有類似超穎材料的負特性。

不僅如此，因為模型的參數簡單，我們還能利用聲波打到氣泡散射時的反應得到更多資訊。像是假設把聲波打到比波長小很多的氣泡時，會產生往四面八方散射的球面波，利用球面波得知氣泡表面膨脹、壓縮的運動模式就能回推外圍水的體積為氣泡的三倍。

超穎材料已經悄悄出現在你的生活四周

超穎材料不是一種特定材料，而是一個將結構視為材料的概念

欒丕綱教授認為超穎材料解放人們對材料的認知，應用上讓思想更加靈活。在使用新材料時，不再只是運用化學反應產物當作原料，單純改變產品形狀也是一種運用材料的方式。以這種思考模式，那麼氣泡水能在特定頻段開一個頻隙，帶有超穎材料的特性，那是不是這種現象不限於水？其他材質也可以做到嗎？其實有些隔音材料就是使用含有空隙的高分子材料製成的，以高精度的納米技術多層次疊加材料，並將每層的控制在小於波長的厚度，就能利用間距導致特定頻率的散射，控制聲波信號，用途包括非破壞檢測（Nondestructive testing，NDT）、醫療器材和隔音設備。

除了聲音過濾，目前超穎材料還應用在天線、吸收塗層、鏡頭、雷達和抗震材。其中欒丕綱教授最看好的是在天線方面的應用，使用刻意設計的超穎材料製作天線，不只能增強天線的輻射功率，還能大幅縮小天線佔據的空間（天線長得都不天線了），同時具有小尺寸、高方向性和可調諧頻率等特性，未來說不定還可能跟 5G 結合，創造更多價值。

參考資料

• 國立中央大學光電科學與工程學系師資人員
• Bubbly Water as a Natural Metamaterial of Negative Bulk-Modulus
• 水中氣泡超材料之動力學模量研究
• 科學月刊2012年，中華民國一百零一年4月號

2021 年初，一連下來了多次的強烈冷空氣，跨年時的寒流、一月二月不斷南下的冷氣團，造成各大超商、藥局暖暖包缺貨，出門時都希望把棉被直接裹住身體踏入刺骨的寒風中，也都在寒流中希望著迎接白天的暖陽。

可惜的是，當太陽還沒出現前，卻時常聽聞清晨會出現「最強輻射冷卻現象」，許多地方的地表溫度下降到 5 度甚至是更低溫，等到太陽升起後，才讓各地溫度逐漸回升。

新聞中提到的「輻射冷卻現象」究竟是什麼？溫度又為何會急遽下降呢？

輻射是什麼？細數傳遞熱能的 3 種方式！

所謂的「輻射」，其實是傳遞熱能的方式之一，而日常生活中常見的熱能傳遞方式主要有三種，除了輻射，還有傳導以及對流。

首先，「傳導」為熱經由物體，從較高溫的物體將熱傳遞至較低溫的物體，其為固體熱量傳輸的主要方式，而「對流」為熱藉由氣體或液體的流動，當氣體或液體受熱，體積膨脹、密度減小而上升，並由周圍溫度、密度較低的氣體或液體補充，形成不斷循環的現象，即稱對流。

傳導與對流皆需要介質的存在才能傳遞熱量，但輻射與上述的傳導與對流不一樣，但輻射傳遞的熱量不需經由任何介質，就可以直接由熱源傳遞到各處！

生活中最常見的輻射方式，即是太陽將其熱能利用輻射的方式傳遞到地表。

太陽是地球的主要熱量來源，太陽所發出的電磁波主要以可見光與較短波段為主，以短波輻射的紫外線給予地表熱量時，當太陽能量被地表吸收後，地表會將吸收的能量轉為長波輻射的紅外線放出，也因此，雖然地表在白天時一直受到太陽短波輻射的照射，卻也不會無止盡的造成地表溫度上升過熱。

那「輻射冷卻現象」又是怎麼一回事？

白天時，太陽以短波形式進入地表的能量大於地表以長波形式放出的能量，所以地表溫度逐漸上升，到了晚上，當太陽下山後，此時地球缺少太陽進入地表的能量，但地表卻仍不停地以長波輻射放出能量，因此使得地表溫度開始逐漸下降。

這個狀況會持續到太陽再度升起並提供地表能量時，不斷下降的溫度才會有所轉變。

由此可知，太陽還沒升起前的清晨是地表逸散最多能量的時刻，而透過此機制讓地表形成低溫的現象，就是我們所稱的「輻射冷卻現象」。

看到這裡，也許你會疑惑：為什麼沒有每天清晨都出現強烈的輻射冷卻現象呢？事實上，大氣中有許多不同的因素，都會影響輻射冷卻效應的強弱！

沒有太陽會冷，但地球也擁有自己的暖被

其中一個影響因素是「雲層的厚薄」。

當天空雲層較厚時，雲層和水氣會吸收地表所發散的能量，將地表向上散失的能量再次傳回地表，使熱量不會完全的逸散，因此，若是當天的雲層比較厚，熱量就更容易被保留在地表與大氣中，此時的輻射冷卻效應便不會那麼強烈，也較不會使清晨各地產生低溫。

雲層的厚薄就如同我們平常在睡覺所蓋的被子，如果今天你睡到半夜突然想起電視的插頭沒有拔，翻開被子去拔完插頭後，原本溫暖的被子因為被你翻開，所以在被子中的熱散失，你的被子便變的冷冰冰的，需要再次依靠你自身所發出的熱溫暖被子。

反之，如若你離開被子時有將被子蓋回去，等你拔完插頭回來後，被子持續保護住你先前所發出的熱，再次進入被子後你仍會覺得被窩十分溫暖。

如若當天雲層較薄，或為萬里無雲的好天氣時，由於地球失去雲層和水氣幫忙吸收地表所發散的能量，能量會不斷由地表向上散失，進入太空中，此時的輻射冷卻效應便較為劇烈，並在各地清晨產生極低溫。

像是2021 年 1 月 13 日與 14 日的超強輻射冷卻現象，也就是因為當時大氣中水氣減少、雲層較薄、天氣較好，地球失去了宛若暖被的雲層，無法保留能量，因此才會出現明顯的輻射冷卻現象。

人越多，身體可以越暖和？

另外一個影響因素，跟我們所身處的區域有關。

在人口較為密集處，例如都市或是大樓林立的住宅區，因為人口密集，且人們的活動產生較多的熱能，造成地表溫度在夜晚下降的較緩慢，使得輻射冷卻現象較不明顯。

而在寬廣的平地，因建築物稀少，且人口密度較低，少了大樓或是較高的地形阻擋地表輻射散失，當天清晨的輻射冷卻效應便會較強烈。

因輻射冷卻現象可能會受到不同因素的影響，所以冬天最強烈的低溫並不一定只會出現在較冷的北部，以 2021 年 1 月 13 日清晨為例，當時輻射冷卻最低溫即在苗栗縣的造橋，清晨溫度僅有 1.5 度呢！

預判溫差，出門不再擔心穿錯季節！

冬天時常出現輻射冷卻的現象，但當清晨過後太陽出現，太陽所放出的熱又會以短波輻射的形式進入地表，使地表增溫。

因此，若你需要在太陽升起前就出門，請務必特別檢查天氣預報，並留意是否出現輻射冷卻現象、關注太陽升起前後的溫差，才可以備好衣物，讓你更妥善的應對捉摸不定的天氣與溫度！

參考資料

• 中央氣象局數位科普網：輻射冷卻究竟在輻射什麼
• 天氣職人吳聖宇粉絲專頁